像素合并是什么

Fanly 问答 2022-06-10 05:16:52 阅读(...)

像素合并(Pixel Binning)是一种时钟方案,用于合并几个相邻CCD像素收集的电荷,旨在降低噪声并提高数字相机的信噪比和帧率。合并过程由片上CCD时钟定时电路执行,该电路在放大CCD模拟信号之前先控制串行和并行移位寄存器。

像素合并(Pixel Binning)是一种时钟方案,用于合并几个相邻 CCD 像素收集的电荷,旨在降低噪声并提高数字相机的信噪比和帧率。合并过程由片上 CCD 时钟定时电路执行,该电路在放大 CCD 模拟信号之前先控制串行和并行移位寄存器。

像素合并 Pixel Binning

简而言之,它允许相邻像素作为一个大的“超级像素”工作,收集更多数据以提供更明亮、色彩更准确、噪点更少的照片。在我们进入技术细节之前,首先要了解它为什么会发生,这一点很重要。

像素合并 Pixel Binning

为了帮助说明像素合并过程,请参考上图,其中回顾了 2 x 2 合并的示例。上图(a)给出了一个 4 x 4 并行移位寄存器像素阵列的示意图,以及一个四门串行移位寄存器和求和像素或阱(也称为输出节点)。发光的光子撞击 CCD 光电二极管,产生一个电子池,该电子池聚集在每个像素中,如上图(b)所示,在平行移位寄存器的右上角为四个蓝色阴影正方形的簇。每个像素可容纳的电子数量称为阱深,其范围约为 30,000 至 350,000,具体取决于 CCD 规格。 CCD 的动态范围与阱深成正比。入射光水平和曝光时间决定了在每个光电门或像素位置收集的电子数量。将 CCD 曝光一个照明周期后,电子通过并行和串行移位寄存器传输到输出放大器,然后由模数(A/ D)转换器电路进行数字化。Binning 可用于通过减少图像采集所需的时间来提高聚焦精度,同时提供更高的灵敏度以降低散焦光水平。

为了说明此过程,上图(b)显示了并行寄存器中的每个集成像素,以一个门的增量步进,产生上图(c)所示的排列。这里,来自两个像素的电子保留在并行移位寄存器中,而来自其他两个像素的电子已转移至串行移位寄存器中。另一步骤(上图(c)),将并行移位寄存器中的剩余电子移位,以填充串行寄存器(上图(d))中的相邻栅极元件。最后的步骤涉及将电荷从串行寄存器(每次两个像素)移至求和像素(上图(d)和(e))。上图(f)说明了求和阱中四个像素的组合电荷,等待传输到输出放大器,在此信号将被转换为电压,然后传输到其他集成电路以进一步放大和数字化。该过程继续进行,直到读出整个阵列。在此示例中,四个相邻像素的面积已合并为一个较大的像素,有时称为超级像素。信噪比提高了四倍,但图像分辨率降低了 50%。

合并阵列的大小由 CCD 时钟,偏置电压和视频处理信号时序控制,通常可调整为 2 x 2 像素,最大可包括几乎整个 CCD 阵列。但是,在合并模式下,串行移位寄存器和输出节点都将积累比正常操作大得多的电荷,并且必须容纳足够的电子电荷容量以防止饱和。典型的 CCD 串行寄存器的电荷容量是并行寄存器的两倍,并且输出节点的电荷容量通常比移位寄存器大 50%至 100%。例如,柯达 KAF 全画幅 CCD 图像传感器具有一个 9 微米像素的并行阵列,每个像素有 120,000 电子的容量。KAF 串行寄存器的电子容量是并行寄存器的两倍(240,000 个电子),而输出节点的容量为 330,000 个电子。

像素合并的主要好处是在低光照条件下以牺牲空间分辨率为代价提高信噪比。许多电荷包的总和降低了读取噪声水平,并产生了与合并因子相等的信号改进(上例中为 4x)。暗电流噪声不能通过合并减少,而只能通过将 CCD 冷却至低温来克服。合并在各种应用中很有用,尤其是在需要快速吞吐时间(帧速率)但以降低分辨率为代价。

像素合并的好处很容易看到

当该算法开始起作用时,会创建一个更大的超级像素来吸收更多的光数据。这在相机传感器需要收集尽可能多的光线的弱光环境中尤其重要。在 Galaxy S22 上进行四像素合并的情况下,当四个相同颜色的相邻像素合并为一个时,它们的感光度会提高四倍。

像素合并的照片变得更亮,具有更高的清晰度和更大的对比度。

但像素合并的好处不仅限于低光摄影。事实上,该技术还提升了 HDR(高动态范围)输出。在拍摄高对比度主题或环境的照片时,像素合并技术再次产生实实在在的好处。

每个像素组(基于其颜色)具有不同级别的感光度和曝光时间,这意味着它们以分段形式收集光信息,并且精度更高。因此,当对每个像素阵列收集的光学数据进行 HDR 处理时,照片看起来很有冲击力,具有更高的色彩准确度和更好的动态范围。

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